Onderwerpen:
- Thermistor
- PTC-weerstand
- NTC-weerstand
- Bepalen van de NTC-karakteristiek
Thermistor:
Een thermistor is een benaming voor een component die een weerstandswaarde heeft die afhankelijk is van de temperatuur. Het Engelse woord is een samenvoeging van de woorden thermal en resistor. Thermistoren worden in de autotechniek o.a. gebruikt als temperatuursensoren en overbelastingbeveiligingen.
Thermistoren kunnen in 2 groepen verdeeld worden; namelijk dat de weerstandswaarde oploopt bij een oplopende temperatuur (PTC) of dat de weerstandswaarde afneemt bij oplopende temperatuur (NTC). De begrippen NTC en PTC worden hieronder verder uitgelegd.
PTC-weerstand:
Een PTC-weerstand is een weerstand met een Positieve TemperatuurCoëfficiënt. Ze worden voornamelijk toegepast als temperatuurbeveiliging in elektrische apparaten. Als de temperatuur toeneemt, dan neemt ook de weerstand toe. De verhouding tussen de weerstand en temperatuur heeft bij een PTC-weerstand een lineair verband. Dat wil zeggen, dat de weerstand evenredig stijgt samen met de temperatuurstijging. Dat is in de onderstaande afbeelding te zien aan de exact rechte lijn.
PTC-weerstanden worden o.a. gebruikt bij spiegelverwarming. Zonder deze beveiligingsweerstand zou er na het inschakelen een constante (maximale) spanning van 12 volt en stroom van 1,25 Ampére op de verwarmingselementen blijven staan. Deze zouden op ten duur doorbranden, omdat de toegevoerde stroom voor opwarming blijft zorgen. Door een PTC-weerstand in de plusdraad toe te voegen, kan overbelasting voorkomen worden. Deze weerstand houdt de temperatuur van het verwarmingselement in de gaten. Als de spiegelverarming in de winterperiode wordt ingeschakeld, zal de PTC weerstand in het begin nog niet functioneren. De temperatuur is dan te laag. De volledige 12v / 1,25A vloeit nu door de verwarmingselementen heen, waardoor het spiegelglas in het begin snel opwarmt. (Het vocht zal dan zo snel mogelijk van het spiegelglas verdwijnen).
Naar mate de temperatuur stijgt, neemt de weerstand toe (zie de onderstaande afbeelding). Wanneer het spiegelglas een temperatuur van 20 graden heeft bereikt, zal de PTC een weerstandwaarde van 20 ohm hebben. De stroomsterkte is nu afgenomen van 1,25A naar 0,6A. Dit kan uitgerekend worden met de Wet van Ohm:
I = U / R
I = 12 / 20
I = 0,6A
De stroomsterkte is nu dus gehalveerd, wat zorgt voor een minder snelle opwarming van het spiegelglas. Als de temperatuur van het glas stijgt naar 40 graden, heeft de PTC een weerstandwaarde van 40 ohm. De stroomsterkte is nu gedaald naar 0,3A.
Bij een maximale temperatuur van 60 graden Celcius zal de weerstand van de PTC-weerstand 60 Ohm bedragen. De stroomsterkte bedraagt nu slechts 0,18A. Het verwarmingsvermogen is nu constant en zal door de lage stroomsterkte niet verder toenemen. De temperatuur van het spiegelglas blijft nu dus ook constant en kan daar door niet oververhit raken. Bovenstaande waardes zijn verzonnen en dienen puur als voorbeeld om het zo duidelijk mogelijk te maken. Elke fabrikant zal zijn eigen stroomsterkten (en dus weerstandwaarden) gebruiken voor hun spiegelverwarming.
Er zijn ook andere componenten in de auto die een PTC-weerstand hebben, zoals bijv. een raambedieningsmotor. Als het raammechaniek erg zwaar gaat (door een hoge mechanische belasting) of het raam wordt vele malen achter elkaar geopend en gesloten, loopt de temperatuur van de raambedieningsmotor op. Deze elektromotor wordt ook bewaakt door een PTC-weerstand. Wanneer de temperatuur te hoog wordt, wordt dit signaal via de PTC-weerstand naar een regeleenheid verzonden. Deze schakelt de stroomtoevoer naar de motor tijdelijk uit, totdat de temperatuur is gedaald. Dit is puur ter beveiliging om oververhitting te voorkomen
NTC-weerstand:
Een NTC-weerstand is een weerstand met een Negatieve TemperatuurCoëfficiënt. Deze weerstanden worden toegepast als temperatuursensoren van o.a. de koelvloeistof en de inlaatlucht. Als de temperatuur toeneemt, dan neemt de weerstand af (zie afbeelding). Vaak wordt er een constante spanning tussen de 1 en 5 Volt op de sensor gezet. Bij een lage temperatuur zal de weerstandswaarde hoog zijn, dus zal de spanning laag zijn. Naar mate de temperatuur stijgt, daalt de weerstand en gaat de spanning omhoog.
De stijging van de spanning wordt door het regelapparaat voor de kenvelden, waarmee o.a. de inspuithoeveelheid van de injectoren wordt bepaald. Ook kan de waarde doorgegeven worden aan de koelvloeistoftemperatuurmeter op het dashboard, of de buitenluchttemperatuur in het climate control display.
De verhouding tussen de weerstand en temperatuur heeft bij een NTC-weerstand geen lineair verband. Dat wil zeggen, dat de weerstand niet evenredig daalt met de temperatuursstijging. Dat is in de afbeelding te zien aan de kromme lijn. Deze lijn wordt een “karakteristiek” genoemd en verloopt logaritmisch.
Bepalen van de NTC-karakteristiek:
De NTC-karakteristiek kan gedeeltelijk worden geschetst door bij drie temperaturen de bijbehorende weerstandwaarde te bepalen. Hiervoor kan de temperatuursensor met een Ohm-meter worden gemeten, terwijl deze in een opwarmde waterkoker hangt.
Bij verschillende temperaturen en weerstandwaarden kunnen punten worden getekend. Tussen deze punten kunnen lijnen worden getrokken (zie onderstaande afbeelding). Hiermee kan in principe al aardig worden geschat hoe de karakteristiek onder de 20, en boven de 100 graden Celsius zal verlopen.
Het is interessant om hier dieper op in te gaan. Met de drie gemeten weerstandwaarden kan door middel van de “Steinhart-Hart-vergelijking bij een oneindig groot temperatuursbereik de exacte weerstand worden bepaald. Ook kan de karakteristiek nauwkeurig worden vastgesteld. Onderaan deze pagina is een Excel-bestand te downloaden waarmee de karakteristiek kan worden gevormd.
De Steinhart-Hart-vergelijking luidt:
- T is de temperatuur in Kelvin;
- R is de weerstand bij T in Ohm;
- A, B en C zijn de Steinhart-Hart-coëfficiënten die afhankelijk zijn van de weerstandwaarden bij een bepaalde temperatuur.
Om de weerstand van een halfgeleider te vinden bij een gegeven temperatuur, moet de inverse (R) van de Steinhart-Hart-vergelijking worden gebruikt. Deze vergelijking luidt als volgt:
waarbij x en y middels de volgende formules worden bepaald:
Om de A, B en C coëfficiënten van de Steinhart-Hart te vinden, moeten drie weerstandwaarden (R1, R2 en R3) bij een temperatuur (T1, T2 en T3) worden bepaald. Deze dienen in de specificaties van de halfgeleider te worden opgezocht of worden gemeten met een thermometer en een Ohm-meter. L1, L2 en R3 worden berekend door de inverse van de weerstandwaarden te bepalen. Y1, Y2 en Y3 worden bepaald door de temperatuur in Kelvin tot de macht -1 te berekenen.
Vervolgens kunnen de Steinhart-Hart-coëfficiënten (A, B en C) worden berekend:
Het invullen van deze coëfficiënten en de ln (R) geeft de juiste temperatuur. Wanneer de bovenstaande formules worden ingevuld, geeft dit:
Het invullen van alle gegevens in de Steinhart-Hart-vergelijking:
geeft:
Door de variabele “T” kan in de gewenste temperatuur worden veranderd. De berekening zal tonen dat bij een T van 120 graden Celsius de weerstand 122 Ohm bedraagt.
De formule kan worden ingevuld met de drie eerder gemeten temperaturen waarmee de karakteristiek kan worden getekend:
- 2500 Ohm bij 20°C;
- 626 Ohm bij 60°C;
- 200 Ohm bij 100°C.
Gerelateerde pagina: